У галузі ядерного синтезу фізики роблять великі успіхи в гонитві за чистою, невичерпною енергією, наприклад, ті, хто створює ІТЕР, найбільший у світі реактор-токамак. Інші, тим часом, працюють над більш компактними і доступними за ціною конструкціями, намагаючись просунути технологію вперед. Новий прорив вчених з Массачусетського технологічного інституту демонструє, як деякі з найбільших досягнень можуть бути досягнуті завдяки проектам меншого розміру - вчені створили рекордний надпровідний магніт, найпотужніший у своєму роді в світі.
Розробкою нового магніту керували дослідники Массачусетського технологічного інституту, які працювали над експериментальною конструкцією термоядерного реактора, вперше представленої ще в 2015 році. Реактор, що отримав назву ARC (доступний, надійний, компактний), являє собою токамак, який, як і ІТЕР, прагне відтворити умови всередині Сонця, при яких атоми водню зливаються разом під впливом екстремальної температури і тиску, щоб вивільнити величезну кількість чистої енергії. Однак реактор ARC буде приблизно вдвічі меншим за ІТЕР з радіусом 3,3 метра.
Будь то ІТЕР, дугові реактори або термоядерні реактори, як стелларатор Wendelstein 7-X в Німеччині, фізика і загальна мета багато в чому однакові. Ізотопи водню, дейтерій і тритій, вводяться в камеру і перегріваються, утворюючи закручену плазму, яку потім необхідно утримати і запобігти її потраплянню на стіни реактора. І для цього магніти є ключовим моментом.
Будь то зміщені магнітні котушки, що працюють в Wendelstein 7-X, або акуратна повторювана послідовність магнітних котушок, що спостерігається в звичайних токамаках, всі вони призначені для генерації магнітних полів настільки сильних, що вони можуть утримувати плазму на місці досить довго для того, щоб могли відбутися реакції злиття. Але вчені, які працюють над ARC, займаються магнітною технологією з однією ключовою відмінністю.
ІТЕР покладається на надпровідні магніти для керування плазмою - це низькотемпеолог ні магніти, які стають надпровідними під час охолодження приблизно до -269 ° C. Замість цього вчені ARC прагнуть використовувати так звані високотемпні надпровідники, які дозволяють створювати набагато сильніше магнітне поле в меншому просторі. Команда працювала з наявною в продажу стрічкою, яка поставляється в котушках і розгортається в плоску стрічку, яка стає надпровідною при більш високих температурах і створює більш сильне магнітне поле. Оскільки вона теоретично краще утримує плазму, реактор може бути менше і дешевше в будівництві.
Використовуючи цю стрічку як відправну точку, вчені Массачусетського технологічного інституту разом зі стартапом Commonwealth Fusion Systems (CFS) витратили останні три роки, намагаючись перетворити її на потужний магніт для використання в демонстраційному пристрої під назвою SPARC, випробувальному стенді для ARC, який буде приблизно вдвічі меншим. Кінцевий продукт вчених - магніт, який використовує 267 км надпровідної стрічки для формування 16 пластин, які складені разом всередині D-подібного корпусу. Цей магніт охолоджується приблизно до -253,15 ° C, після чого він стає надпровідним і створює потужне магнітне поле.
"Ми створили перший надпровідний магніт, - говорить Джой Данн, керівник виробничого відділу CFS. - Знадобилося багато роботи для створення унікальних виробничих процесів та обладнання. В результаті ми тепер добре підготовлені до нарощування виробництва SPARC. Ми почали з фізичної моделі, а потім пропрацювали безліч розробок і прототипів, щоб перетворити паперовий проект на справжній фізичний магніт ".
Під час випробувань вчені поступово нарощували силу надпровідного магніту, поки він не створив рекордне магнітне поле силою 20 тесла, що зробило його найпотужнішим магнітним полем, коли-небудь створеним для термоядерного реактора.
Вже опублікувавши ряд статей з фізики, що демонструють здійсненність SPARC, команда вважає новий магніт відсутньою частиною головоломки, заявляючи, що магніт дозволяє створити магнітне поле, рівне полю, що спостерігається в реакторі в 40 разів більше його розміру.
"Ніша, яку ми заповнювали, полягала в тому, щоб використовувати звичайну фізику плазми, традиційні конструкції і технології токамаків, але привнести в неї цю нову магнітну технологію, - говорить Мартін Грінвальд з Массачусетського технологічного інституту. Ми просто вводили нововведення за допомогою магніту, а потім застосовували базу знань з того, що було вивчено за останні десятиліття ".
В даний час жоден термоядерний реактор не продемонстрував здатності генерувати більше енергії, ніж їм необхідно для його роботи, і досягнення точки «беззбитковості» було б воістину історичним моментом. Вчені вважають, що з новим потужним магнітом вони зробили значний крок до цієї мети.
"Тепер я щиро оптимістичний щодо того, що SPARC може досягти чистої позитивної енергії, ґрунтуючись на продемонстрованих характеристиках магнітів, - говорить Марія Зубер, віце-президент Массачусетського технологічного інституту з досліджень. - Наступним кроком буде масштабування, щоб побудувати справжню електростанцію. Попереду ще багато проблем, не останньою з яких є розробка конструкції, що забезпечує надійну і стабільну роботу. І, розуміючи, що мета тут - комерціалізація, ще одна серйозна проблема буде економічною. Як ви спроектуєте ці електростанції, щоб їх будівництво і розгортання було рентабельним? "
Завершення створення реактора SPARC заплановано на 2025 рік.